Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

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Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Mar 5 Juin 2018 - 21:57

Histoire de rassembler quelques liens sur le sujet:
Ce document ne porte que sur des petits moteurs, et est sans doute biaisé par l'application visée:
http://docplayer.fr/15083530-Efficacite-energetique-des-machines-le-choix-judicieux-de-la-motorisation.html

Un peu plus générique
https://www.usinenouvelle.com/article/les-aimants-permanents-rendent-les-moteurs-economes.N58655

pour la plupart des articles , cependant, moteur sychrone  = aimant permanent


Dernière édition par Passant_Mbr le Mer 13 Juin 2018 - 12:15, édité 2 fois
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par TomC le Sam 9 Juin 2018 - 9:41

"Meilleur que" : cette question n'est pas très précise, il faudrait dire pour quelle application, et meilleur en quoi...

Souvent on lit qu'un moteur asynchrone ne pourrait pas dépasser un certain niveau de rendement, donc un moteur à aimant serait "meilleur", mais c'est faux. Comme dit ailleurs, il suffit d'ouvrir un catalogue de moteurs industriels standards pour voir qu'un moteur asynchrone peut sans problème dépasser les 95% de rendement, dès qu'on dépasse une certaine puissance.

Certains pensent que le moteur asynchrone est moins bon du fait du glissement du rotor, car il est vrai qu'un moteur asynchrone c'est un peu comme un embrayage qui patine : plus il glisse, plus le rotor s'échauffe. Mais à partir du moment où le moteur est alimenté par électronique, on sait très bien limiter le glissement à des valeurs très faibles (ce qui n'est pas le cas pour les moteurs asynchrones branchés en direct sur le réseau)

Le gros avantage de mettre des aimants dans un moteur, c'est que c'est une source de champ magnétique très compacte, donc pour un point de fonctionnement et un rendement donnés, un moteur synchrone à aimant sera beaucoup plus compact (et donc léger) qu'un moteur asynchrone. Malheureusement, plutôt que d'utiliser cette propriété pour faire un moteur plus léger ou de masse égale mais à meilleur rendement, la plupart des constructeurs automobiles préfèrent faire des moteurs inutilement puissants. Peut-être Hyundai avec sa Ioniq a eu la sagesse d'optimiser plutôt le rendement que la puissance max.

Mais les aimants ont aussi des inconvénients pour une application de traction : le champ magnétique qu'ils génèrent est fixe, alors que dans certains cas il est avantageux de réduire le champ dans le moteur pour réduire les pertes.
Exemple : rouler à 130 km/h sur autoroute à faible couple, parce que l'autoroute est en pente descendante. Dans ce cas, avec un moteur asynchrone ou synchrone bobiné on peut diminuer, voire couper le champ magnétique si on est à couple nul, et on n'a alors plus de pertes dans le moteur hormis les pertes mécaniques. Dans un moteur à aimant, on garde un champ magnétique qui génère des pertes magnétiques. On peut le diminuer artificiellement, mais pour cela il faut injecter du courant au stator, donc d'autres pertes.  
Autre problème : du fait de la tension générée par le rotor, la vitesse max est limitée, car à un moment la tension induite (qui est proportionnelle à la vitesse) dépasse la tension batterie.
Et évidemment, les aimants performants sont faits à partir de terres rares, qui posent des problèmes d'écologie.

Pour des applications à couple constant ou où le couple augmente avec la vitesse (par exemple : une hélice), le moteur à aimant est de loin le meilleur. C'est pour cela que l'on ne verra jamais de drone à moteur asynchrone...

Pour des applications de traction, c'est beaucoup moins évident. Dans une hybride, on a des problèmes d'encombrement, donc les aimants s'imposent. Dans un pur VE, où le poids est essentiellement dû à la batterie, la réponse est beaucoup moins évidente. Par exemple si Tesla est passé de l'asynchrone sur les Model S au synchrone à aimants pour la model 3, je pense que c'est surtout pour des questions de masse et d'encombrement, vu qu'ils visent à caser à terme deux moteurs (inutilement puissants à mon goût) sur une voiture plus petite.
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Lun 11 Juin 2018 - 23:18

Effectivement la question n' est pas assez precise, il faudra que je  modifie le titre.

Mais concrètement supposons un ve roulant de façon stable à vitesse et couple constant. Comment fais-tu pour réduire le glissement? Tu est obligé de reduire la fréquence.  Et ensuite pour compenser et conserver ton couple tu vas devoir augmenter le flux ce qui a priori se fera  en augmentant la tension et les courants statoriques d'ou un accroissement des pertes fer dans tout le moteur et cuivre au moins dans le stator. Et il faudra pouvoir le faire sans saturation ce qui pourrait amener à surdimensionner les circuits magnétiques. Je sais bien que dans le modele habituel plein d'approximations le rendement ne depend que du glissement mais quand on cherche des petits pour  cents de difference entre synchrone et asynchrone ces autres details peuvent peut etre compter.
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par TomC le Mar 12 Juin 2018 - 0:05

Il suffit que le moteur soit dimensionné pour et qu'il ait une faible résistance au rotor, avec par exemple une cage en cuivre plutôt qu'en aluminium (comme le fait Tesla) et une section suffisante. Par contre un tel moteur ne sera pas du tout adapté pour fonctionner en direct sur le réseau (comme un moteur industriel), car il aurait soit un appel de courant très important au démarrage, soit trop peu de couple (ou les deux).
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Mar 12 Juin 2018 - 12:47

Oui mais si du coup tu aboutis à un moteur plus fortement dimensionné qu'un moteur synchrone qui ferait une prestation équivalente, ou plus cher à cause du rotor en cuivre, ce sont aussi des critères de choix d'une solution optimale.

Quant à l'appel de courant au démarrage je ne sais plus si la commande vectorielle permet de le minimiser tout en conservant un bon couple ? Ce n'est à priori pas le cas de la commande U/f qui sacrifie le couple pour contenir le courant . Or, on peut souvent avoir besoin d'un bon couple au démarrage (rond points, ...)

A ce moment la question ne serait plus seulement de savoir quel moteur est optimal pour le VE, mais il faudrait distinguer entre les véhicules à vocation routière qui font peu d'arrêts/redémarrages, et les citadines qui ne font que cela, ce dernier cas étant alors moins favorable à l'asynchrone.
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par TomC le Mar 12 Juin 2018 - 12:55

On est bien d'accord que si on ne dimensionne que pour un point de fonctionnement (couple, vitesse) donné, le moteur synchrone à aimant sera plus léger ou aura un meilleur rendement, ou les deux.
Mais dans un véhicule, on travaille souvent bien en dessous du couple nominal que peut fournir le moteur, et donc le moteur à aimants n'est pas forcément optimal, et ce d'autant plus que la vitesse est élevée.
Alors oui, si on demande systématiquement le couple max au démarrage, le moteur asynchrone sera défavorisé. Mais franchement, utilise-t-on souvent le moteur à son couple max ?
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Mar 12 Juin 2018 - 13:29

Peut être pas souvent, mais il va y avoir des cas où il faut pouvoir le fournir. Dans cette situation il faudra accepter de dépenser un courant plus élevé, mais si c'est exceptionnel c'est vrai que ça impactera peu la consommation globale.

Pour un VE je pense qu'on cherche à avoir le meilleur rendement sur la plus large plage de fonctionnement possible. Il faudrait donc considérer la façon dont ces moteurs asynchrones à 95% de rendement se comportent lorsqu'on s'écartent de la charge nominale.

Par ailleurs quand je parle de moteur synchrone, il ne s'agit pas forcément des versions à aimants permanents, qui ne sont pas les meilleurs quand il s'agit de maintenir un fonctionnement proche de l'optimal dans une grande variété de situations.
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Zizoe le Mer 13 Juin 2018 - 11:24

@TomC a écrit:Mais dans un véhicule, on travaille souvent bien en dessous du couple nominal que peut fournir le moteur, et donc le moteur à aimants n'est pas forcément optimal, et ce d'autant plus que la vitesse est élevée.
D'où l'intérêt du moteur synchrone à rotor bobiné dans lequel on peut faire évoluer le flux magnétique en pilotant le courant dans le rotor.

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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Mer 13 Juin 2018 - 12:34

Titre modifié, j'espère que ça ne perturbera pas trop ceux qui suivent.

Une question théorique que je me suis souvent posée : comment fonctionnerait un moteur asynchrone à rotor supraconducteur ? Soit il tourne exactement à la vitesse de synchronisme et le rotor n'est parcouru par aucun courant, mais c'est impossible car il faut un couple minimal même à vide pour contrer les pertes mécaniques, soit il est en dessous mais au moindre glissement il sera parcouru par un courant extrêmement élevé. Sachant que la supraconductivité disparait au delà d'une certaine valeur du champ magnétique, au pire le courant pourrait monter jusqu'au point il produit un champ qui commence à la rompre.

Mais sans doute auparavant, il y aura la bonne vieille impédance due à l'inductance du rotor, et aussi la force contre électromotrice élevée induite dans le stator en retour, qui finirait par s'opposer complètement à l'alimentation. Il faudra que je voie ce que ça donne dans les formules en mettant Rr = 0. A priori le couple devrait être de la forme k . flux / glissement x omega, ce qui est bizarre car il tend vers l'infini quand le glissement tend vers zéro. Mais peut être certaines approximations faites pour arriver à cette formule ne tiennent-elles plus dans ces conditions.

Quoiqu'il en soit la supraconductivité n'annulera que les pertes cuivres et pas les pertes fer et mécaniques. On n'aura toujours pas un rendement de 100% (mais j'avais vu le chiffre de 99% pour un moteur expérimental, probablement synchrone).
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Mer 13 Juin 2018 - 12:55

Et si l'inductance reprend le rôle de la résistance, on aura peut être des comportements non linéaires, car si l'impédance est fortement dominée par la résistance, elle est relativement peu dépendante de la fréquence, alors qu'elle lui est proportionnelle pour une inductance.

Mais cela ne semble pas aller dans le sens de la stabilité : si le couple résistant de la charge augmente, le glissement augmente et la fréquence des courants rotoriques avec, l'inductance est alors plus élevée ce qui tend à réduire le courant et donc à priori le couple moteur (mais il faudrait tracer la courbe du couple en fonction de la vitesse dans ces conditions pour vraiment étudier la stabilité).
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

Message par Passant_Mbr le Jeu 14 Juin 2018 - 0:52

Un article sur un projet de moteur asynchrone supraconducteur

https://www.researchgate.net/publication/324099725_A_Superconducting_Induction_Motor_with_a_High_Temperature_Superconducting_Armature_Electromagnetic_Theory_Design_and_Analysis

Dans ce projet, seul le stator est rendu supraconducteur, mais ils mentionnent un développement fait par des japonais ou le rotor l'est aussi.
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Re: Synchrone / Asynchrone : quel choix optimal pour le VE ?

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